第三章理想反应器IdealReactor
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算,确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定,则:
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件:
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得: T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式(完全混 合)反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件: t 0, CA 0 求解微分方程得到:
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件,得: C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合,可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
化学反应工程第3章
9
径向流分布
平推流与层流的区别
平推流:同一截面上各微元具有相同的速率,
径向剧烈混合;
层流:同一截面上各微元具有不同的速率,
径向没有混合。
10
(2)全混流流动
•物料加入反应器瞬间完全混合(最大混合); •反应器中物料的温度、浓度均匀,且等于出 口物料的温度、浓度; •停留时间不同,形成确定的停留时间分布。
4.动力学方程--描述反应速率随温度、 浓度的变化情况
4
二、几个时间概念
• 1.反应持续时间tr--在间歇反应器中反 应达到一定转化率所需时间(不包括辅 助时间)。
• 2.停留时间t--连续流动反应器中流体 微元从入口到出口所经历的时间。
• 3.平均停留时间tc--各物料微元从反应
器入口至出口所经历的平均时间。
• 如要等温,就要求dT/dt=0。
• cA亦不是常数--由物料衡算式3.2-1
rA
V
'R
nA0
dxA dt
姑且认为是恒容
而cA cA0 1 xA ,
dcA cA0dxA
上式变成:
rA
-
dcA dt
E
k0e RT
44
• 二式联立:
d d T tC 1 K p V RT A W T k0eR Ec T A H r
物流携出 热量
Gc p T dT
微元与环 +境的热交换
KdT TW T
dl
微元内反应 热效应
rA Hr
dVR
积累量 0
整理得:
Gc pdT KdT TW T dl rA Hr AT dl 0
dT dl
1 Gc p
3第三章2
(-rA) = kCA
T = 500 +273 = 773K
k = 7.8 × 109 exp [-19220/773](s-1) =0.27 (s-1)
(1 xA ) (1 xA ) C A C A0 C A0 (1 A y A0 xA ) (1 xA )
2 1 A 1 y A0 1 1
讲授内容
3 4 5
2013-12-11
6
全混流反应器热稳定性分析
Analysis of CSTR’s thermostability
3. 2 简单反应器
★间歇釜式反应器(分批加料的釜式反应器)
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
★平推流反应器(连续加料的管式反应器)
Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)
n P PA0 = 5 atm C A0 PV nRT V RT n P 5 C A0 0.079mol / L V RT 0.082 (500 273)
x A dx 0.9 dx 0.9 0.9 (1 x ) dx dx A V A A A A 0 (r ) 0 kC 0 0 kC (1 x ) 1 xA FA0 A A A0 A kC A0 ( ) 1 xA FA0 0.9 (1 xA )dxA FA0 1 V [2 ln xA ]0.9 0 kC A0 0 (1 xA ) kC A0 1 xA
l=L
FA ( FA dFA ) (rA )dV
dFA d FA0 (1 x A ) FA0 dx A
dFA (rA )dV
FACA xAv
第3章 均相反应过程(理想反应器)
单位时间反应消失的A的量 单位时间反应器A的累积量
单位时间反应消失的A的量=(-rA)V
13
一、间歇反应器
物料平衡:流入=流出+反应+累积
0 =0+(-rA)V+d(VcA)/dt
dVc A dnA (rA ) V dt dt (rA ) V
dnA t n 0 dt (rA ) V
4
一、流动模型
流动模型分类如下: 理想流动模型 流动模型
非理想流动模型
流动模型是专指流动反应器而言的。 对于流动反应器,必须考虑物料在反应器内的流反应器 简称间歇式反应器
理想反应器
理想平推流反应器 简称平推流反应器
理想全混流反应器 简称全混流反应器
平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中 的流动状况,介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反 应器是为把问题简化,把接近于理想流动的过程当作该种理 想流动来处理。
10
第三章 均相反应过程
3.1 概述 3.2 简单反应器的性能方程 一、间歇反应器 二、平推流反应器 三、全混流反应器
11
一、间歇反应器
间歇式反应器中的物料平衡: 反应单元 流入
反应消耗
累积
流出
12
一、间歇反应器
间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡: 单位时间流出反应器A的量 单位时间 进入反应 器A的量 =
图3-3
从而得出反应时间和转化率关系的间歇式反应器性能方程。
15
一、间歇反应器
例题:计算间歇反应器中的反应时间 一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行,求在50℃ 反 应转化率达70%所需的时间。 已知: A R
rA kcA , kmol /(m3 h)
化学反应工程 第三章 理想反应器(2)
产生这一结果的原因
–全混流反应器中存在返混
–间歇反应器中不存在返混
反应器中的流动模式影响到了反应结果
全混流反应器的热量衡算和热 稳定性
全混流要达到定常态操作,必须保证反 应器为等温(恒定温度)操作
对其进行热量衡算,可以确定换热量、 换热面积等相关参数
CSTR热衡算方程式(操作方程式)
对于具有返混的反应器,同时进入反应器的物料微团, 并不同时离开反应器,因此,出现停留时间分布。这时, 采用平均停留时间来描述
平均停留时间:反应器的有效容积与反应器内物料的体
积流速之比,即: t V v
–对于恒容过程,因为 v v0,所以,t
–对于平推流反应器, t t
–对于间歇操作的完全混合反应器, t t
特征
–反应器内完全混合
反应器内具有均一的温度、浓度,且与出口物料的 温度、浓度相同;
–定常态的操作(稳态操作)
物料衡算
流入A的 - 流出A的 = 反应掉的A + A的累积
摩尔数 摩尔数 的摩尔数
v0CA0 v0CA (rA )V 0 整理得:
V C A0 C A C A0 xA
CA )V
可知
C
CA0
CA
– 对于反应级数大于0的反应,当达到的同样转化率及产
量时,τ>t,即:VCSTR>VBR
全混流反应器的容积效率
–分批式反应器的容积与全混流反应器所需反 应器容积之比:
由此可知:
VBR t
VCSTR
–反应级数大于0的反应,η <1
–反应级数小于0的反应,η >1
这是绝热操作的CSTR所允许的最大温升。若反应流体进、出口温
化学反应工程多媒体教程--理想反应器(第三章)
反应器的设计就是上述方程联立求解的过程 Continue
◇反应动力学方程式
○均相间歇反应的反应速率表示式: A为反应物,以A表示的化学反应速率为:
1 dn A kmol.m-3h-1 ( −rA ) = − ⋅ V dt A为产物,以A表示的化学反应速率为:
rA = 1 dn A ⋅ V dt
kmol.m-3h-1
设计间歇反应器的计算: ○反应时间 t 由设计方程与动力学方程联立求解,即可求得达到一定转化率所 需时间t;
○有效容积:VR VR=v(t+t0) v----单位时间所需处理的物料体积(根据产量计算) t0----每批生产的辅助时间 ○实际体积:V V=VR /φ φ----装填系数
Return
◇等温操作间歇釜式反应器设计计算 等温操作间歇釜式反应器设计计算
Return
§3.1 反应器设计的基本方法
◆经验设计法 数学模型法 ◆数学模型法
◆数学模型法
基础--描述化学过程本质的动力学模型和反映传递过程特性的传递模型 基本方法--以实验事实为依据 建立上述模型 结合一定的求解条件求解 边界条件和 初始条件
具体的数学模型包括 ◇反应动力学方程式 ◇物料衡算式 ◇热量衡算式 ◇动量衡算式 ◇参数计算式
等温操作(动力学k为常数) 可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。 例1:一级反应A 方程为: 产物,单位时间需处理的物料体积为v,动力学
(-rA)=kCA=kCA0(1-xA)
求反应所需时间(转化率为xA)t及反应器的有效容积。
t = C A0 ∫
xA xA dx A dx A 1 1 = C A0 ∫ = ln 0 kC ( − r ) ( −rA ) k 1 − xA A0 A
第三讲 理想反应流动器
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt 1 1
CA CA0
CA
CA0 1 CA0kt
kt ln 1 1 xA
xA
kt CA0
xA 1 ekt
kt 1 xA
CA0
1
xA
xA
CA0kt 1 CA0kt
rA
kC
n A
kt
n
1
1
(C1An
C1n A0
)
(1-x
)1-n
A
1 (n 1)CAn01kt
物料衡算方程。针对任一反应单元,在任一时间段内:
某组分累积量=某组分流入量-某组分流出量-某组分反应消耗量
反应单元
流入
反应消耗 累积
流出
反应器
反应单元 流入量 流出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应量
√
√ √ √
Байду номын сангаас
累积量
√
0 0 √
能量衡算方程:针对任一反应单元,在任一时间段内
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
带入
反应单元
反应热 累积
带出
传给环境
反应器
反应单元 带入量 带出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应热
√
√ √ √
累积量
第三章 理想反应器
A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =
C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度,假定恒定,反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0,VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘, t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线, 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h
第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务:1.优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2.优化操作—根据实际操作情况,修正反应器的数学模型参数,优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3.1 反应器设计基础3.1.1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器(ideal reactor),主要讨论三种类型:1.间歇反应器(Batch Reactor—BR);2.平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR);3.全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意:返混≠混合!平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同,不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变(齐头并进无返混,变化随轴不随径)。
全混流(理想混合)—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同,物性不随反应器的位置变,返混达到最大。
3.1.2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容:1.由给定生产任务和原料条件设计反应器;2.对已有的反应器进行较核,看达到质量要求时,产量是否能保证,或达到产量时,质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是:1.动力学方程;2.物料衡算方程;3.热量衡算方程;4.动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元,在单位时间内,对物质A有:进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示:F in F out F r F b即:F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1.对间操作,反应过程无进料和出料,即:F in=F out=0则:-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2.对连续稳定操作,积累量为零,即:F b=0则F in=F out+F r(3.1-6)二、热量衡算方程对反应器内选定的微元,单位时间内的热量变化有:随物料流-随物料流+与边界交+反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号:Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即:Q in-Q out+Q u+Q r=Q b(3.1-8) 1.对于稳定操作的反应器,热的积累为零,即:Q b=0Q in-Q out+Q u+Q r=0(3.1-9) 2.对稳态操作的绝热反应器,Q u=Q b=0,即:Q in-Q out+Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
第三章 理想反应器
第三章 理想反应器1.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合(完全混合)反应器、平推流(活塞流或挤出流)反应器]2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理,而管径小,管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。
(理想混合反应器、平推流)3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。
(平均生产速率R Y 最大、生产经费最低)4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。
(反应器的有效容积、进料流体的容积流速)5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之比。
(反应时间t 、空时τ)6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
(pr A C v H r V ρ0))((∆--)7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
()()1(000P m P c v U A T T c v UAT ρρ+-+)8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。
(r G Q Q =)9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
(r G Q Q =、dT dQ dT dQ Gr 〉) 10.全混流反应器的返混_______。
(最大)11.平推流反应器的返混为_______。
(零)12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。
(平均停留时间、反应时间、空时)13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。
(平推流)14.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合,这类反应器为_______的平推流反应器。
(循环操作)15.对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时为_______反应器,而当β→∞时则相当于_______反应器。
(平推流、全混流)16. 对于循环操作的平推流反应器,当循环比β→0时反应器内返混为_______,而当β→∞时则反应器内返混为_______。
chapter05-ideal reactor (experimental reactor)-2 (1)
老流体
方差
描述E曲线的宽度
定义
2
0
(t t ) 2 E (t )dt
0
0
E (t )dt
2
(t t ) 2 E (t )dt
0
积分 或 分部积分
(t 2tt t ) E (t )dt t 2 E (t )dt t 2
2 2 0
积分
1 1 0 0
t
0 0Βιβλιοθήκη tE (t )dt E (t )dt
tE (t )dt tdF (t )
0 0
1
tdF (t ) td (1 F ) t(1 F ) |
1 0
0
[1 F (t )]dt [1 F (t )]dt
v
N
— 体积流率,m3/s
n E (t ) N
C (t ) v
0
C (t )dt v
— 总摩尔量,mol
— t时刻的浓度,mol/m3
C (t )
E(t)是一个量纲量,单位常取s-1
理想流动反应器的停留时间分布RTD
vC(t )dt VR dC
C C0e
PF
RTD
PF
RTD
u=u0[1-(r/R) ]
2
Laminar Flow
t
通过实验确定RTD
示踪技术 示踪剂:易于通过光学、电导、放射性、热导率等检测 脉冲实验和阶跃实验
t=0 阶跃输入 t<0 无示踪剂 t>0 m[kg/s]
进口物流中瞬时 注入M单位示踪剂 记录出口示踪剂浓度
第三章理想反应器IDEALREACTOR
3/20/2021
19
单dV位的时A的间摩进尔入数的
单位时间从dV 流出A的摩尔数
单微位元时A的间反在应dV量的
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20
FA (FA dFA ) (rA )dV dFA (rA )dV
dFA d FA0 (1 x A ) FA0d A
FA0d A (rA )dV
Te
R ln
(E2 E1 )
k0C A0 (1 A )
k
' 0
(C
R
0
C A0 A )
( 1 1 ) R ln E2 Topt Te E2 E1 E1
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49
3.6-2复合反应 1.串联反应
A k 1 P k 2 S
C P,max
C A0
k1 k2
k
k2 2 k1
全混流最差。
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42
3/20/2021
43
2.最优操作温度的选定 不可逆反应,尽可能提高温度。 可逆吸热反应,尽可能提高温度。 可逆放热反应,存在最优的操作温度。
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44
对于 一级可逆反应,原料为纯物质A, 恒容。
rA
kCA0 [(1
A)
A
K
]
其中
k
k0
exp[
E kT
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28
解:反应气体的进料体积流速为:
v0
FA0 RT P
1.55 0.082 773 19.66(m3 / h) 5
反应流体在管内的体积流速为:
v
FRT P
F0 (1 A y A0 x A )RT
/P
第三章 理想流动反应器
CA0
xAf 1 exp(k )
xAf CA0 k 1 CA0 k
n = 2,
xAf V0 VR , kCA0 (1 xAf )
2.PFR的热量衡算
在dVR内作热量衡算
T0,CA0 V0,ΣNi
T
dF T + dT Ta
一级反应时间只与转化率有关,与初始浓度CA0 无关。
(3) 二级反应:rA =
用转化率表示
kCA2;积分得
kt
xAf CA0 (1 xAf )
1 1 kt CAf CA 0
二级反应时间不仅与转化率有关,还与初始浓度CA0有关。
固定CA0 = 1.0 kmol/m3 时,反应时间与转化率、浓度的关系图
2.反应时间的优化 间歇釜式反应器操作需要辅助时间,对于特定的反应和反 应器,辅助时间t0是一定值。产物生成速率随反应物浓度降低 而降低,即随反应时间增长,单位时间内生成产物的量随之降 低,如果无原则地延长反应时间来追求产物的量会得不偿失。 因此,需要对反应时间t 进行优化确定。
(1)以单位操作时间的产品产量为目标函数 优化反应时间,使产品产量目标函数最大化。
(1)等温 PFR 计算
(H r )(rA )dVR K (T Ta )dF
①当为放热反应,ΔHr < 0, 此时,T > Ta , 反应器向外传热。
②当为吸热反应,ΔHr > 0, 此时,T < Ta , 向反应器内传热。
③沿反应器轴向,反应放(吸)热量,刚好由反应器与环 境热交换作用抵消掉,使得反应器轴向温度处处相同。
反应级数越高时,随反应物浓度降低(或转化率升高), 反应时间增大幅度越大。这充分说明了反应级数大小是浓度影 响反应速率的敏感程度。 举例: A + B
高等反应工程第三章
C A2 C A3 3 k C A3
V
1 2 3 i
V Ri
0
C C C C C C
A1 A2 A1 A0
A3 A2
C C
A3 A0
1 x A3
1k i
1
3
1 1 3 1 i 1 x k A3
v
0
所以
C Ao
C Af
dCA rA (C A )
它与间歇等容反应器的设计公式形式相同,只 是将t→τ 即可。 但①所得不同②适用范围不同 一、简单反应 0级: k C Ao C A
1级:
C Ao k ln C Af
1 ( k t ln ) 1 xA
2级: 二、复杂反应
x Af V FAo rAf
将
rAf k[C Ao
1 x Af 1 A x Af
n
]
代入即可
一级
V FAo
当V一定,改变CA时 即 k
k CAo ( ) 1 A x Af
x Af 1 x Af
V vo C Ao C Ao
x Af (1 A x Af )=-反应热 CpvVdT/dt=rA(-ΔHAr)V = (-ΔHAr)NA0dXA/dt dT= [(-ΔHAr)NA0 /CpvV]dXA= λdXA
绝热温升λ=[(-ΔHAr)NA0 /CpvV] =[(-ΔHAr)CA0 /Cpv XA=0,T0;XA,T 所以,T=T0+ λ XA
反应放热=物料温升吸热
rA (-ΔHAr) VR=Cpv V0 ΔT
因为rAfVR=FA0xAf 代入上式
化学反应工程 第三章 理想反应器(3)
a( )
d
d
其中,
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解:分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前,PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此,出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即:
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而, xA2
1
xA2
x A1
–由此,可得:
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者,
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解:
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而
第三章 理想反应器
操作线方程
rAi
=
− CAi
τi
+
CAi−1
τi
动力学方程
rAi = k f (CAi )
(3.3-29)
(3.3-36)
(3.3-37)
(2)图解法步骤 若各级全混流反应器的温度相等,且各釜体积也相同,则作图法求解的步骤如下:
a.在rA~CA坐标系中标出动力学曲线,如图中曲线 OM;
b.由CA0为起点,以
本章讨论的主要内容: 1. 论述反应器内的流动模型,着重阐述混合与返混的异同
及理想流动模型的特征; 2. 以均相反应为背景,讨论理想反应器设计的基本方法; 3. 讨论理想流动反应器中复合反应的收率和选择率。
§3.1 概述
流动模型 是描述流体流经反应器时物料质点的流动与返混状况的模型,对各
种流动模型进行数学描述,便可得到流动的数学模型。
(3.3-33)
或
τ
=
1 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣
(1
−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-34)
反应系统的总体积
VR
= mVRi
= mV0τ
=
mV0 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣(1−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-35)
3. 多级串联全混流反应器的图解计算
(1) 图解法原理:
( ) VRi
= V0
CAi−1 −CAi rAi
−1 τ1
为斜率做出第一级反应的操作线与OM线交与A1,其横坐
则 Λ 可视为常数,将(3.3-22)积分得
T = T0 + Λx A
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v FA0(1 xA) / CA0
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30
CA
FA v
FA0 (1 xA )CA0 FA0 (1 xA )
(1 xA )CA0 (1 xA )
V 1 xA (1 xA)dxA
v0 k 0 (1 xA)
PV nRT
Pv0 FRT
导出v0 RT (F0 AFA0 A ) / P
t t 1 V
PdV
R 0 T (F0 A FA0 A )
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上式若对于恒温、恒压过程,则有
t t P V
dV
RT0 0 F0 AFA0 A
PV
dV
V
dV
RT0 0 F0 (1 A yA0 A ) 0 1 yA0 A A
第三章 理想反应器
Ideal Reactor
3.5 平推流反应器
Piston Flowing Reactor
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1
SO3 Production Plant and Gas Treatment (Ballestra)
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2
{磺化反应器}本 装置是以连续多 管膜式反应器为 基础的磺化(硫 酸化)装置,此 装置以洗涤剂工 业中使用的所有 主要原材料生产 磺酸和活性物, 如:十二烷基苯、 直链烷基苯、醇 类、月桂醚、α烯烃等。
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解:反应气体的进料体积流速为:
v0
FA0 RT P
1.55 0.082 773 19.66(m3 / h) 5
反应流体在管内的体积流速为:
v
FRT P
F0 (1 A y A0 xA )RT
/P
12/3/202029F Nhomakorabea FA0
1 RT
CA0 P
A
2 1 1
1
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膨胀因子:每反应掉一个摩尔的组分
A所引起反应物系总摩尔数的变化量。
即:
A
(n n0 )
n0 y A0 A
所以 n n0 (1 A y A0 A )
F F0 (1 A yA0 A ) F0 AFA0 A
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F,F0分别为物系反应后的摩尔流 率和起始摩尔流率, yA0为着眼组 分A的起始摩尔分率。
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对于变容过程,其反应速率方程中的 各个浓度需同时考虑因化学反应和容 积而改变造成的浓度变化。
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但如果速率方程过于复杂,则往往
需要用数值积分或下图的图解法求 解方程。
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例3-5-1 应用管径为D=12.6cm的管式反 应器来进行一级不可逆的气体A的热分 解反应,其计量方程为A=R+S;速率方 程为 -rA=kCA;而k=7.8 × 109 exp [ -19220/T ](s-1),原料为纯气体A, 反应压力P = 5 atm(5×0.101325MPa) 下恒压,T = 500 0C 恒温反应。 反 应过程中压力恒定,要求A的分解率达 到 0.9,原料气体的处理速率为FAO = 1.55 kmol / h,求所需反应器的管长 L、停留时间t、空时τ(理想气体)。
在这些场合,空时和停留时间是不相 等的,使用时应加以区别。
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3.5.1 设计方程
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对器内微元容积dV进行物料衡算, 列出组份A的物料衡算式。 根据衡算的一般形式:
累积量 = 输入量 - 输出量
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单dV位的时A的间摩进尔入数的 单流位出时A的间摩从尔dV数 单微位元时A的间反在应dV量的
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FA (FA dFA ) (rA )dV dFA (rA)dV
dFA d FA0(1 xA) FA0dA
FA0d A (rA )dV
平推流管式反应器的基础设计方程
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V dV
A d A
0 FA0 0 rA
V V A d A
FA0 C A0v0 0 rA
CA0
xA dx A 0 rA
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恒容过程
xA
1
CA CA0
dxA
dCA CA0
V xA dxA 1 CA dCA
FA0 C A0 0 rA
C A0
r CA0
A
t
CA0
xA dxA 0 rA
CA C A0
dC A rA
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恒容过程平推流与分批式完全混合 反应器设计方程完全一致,因此只 要反应是在等温下进行,第二章的 速率式都适用于平推流。
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在80年代中期,国内外的一些著名的 石油公司如Stone&Webster和Mobil 等分别提出了超短接触下行床反应 器的概念。对于催化裂化等以中间 产物为目的产品的过程,由于下行床 能够实现气固超短接触并具有接近 平推流的流型,将可以获得比提升管 更高的产品收率,因而受到人们的普 遍关注,被誉为“21世纪取代提升管 的换代新技术”。
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流体在管内作平推流流动具有如 下两特征:
1)在与流动方向呈垂直的截面上 没有流速分布;
2)在流体流动的方向不存在流 体质点间的混和,即无返混现 象。
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因此,各质点具有相同的停留时
间 (t ) ,等于反应时间t。
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磺化反应工艺流程
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5
重油催化裂化(FCC)装置总图
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在催化裂化装置中反—再系统地反 应器为提升管反应器,它是基于平 推流的基础上建立起来的。自60年 代以来,提升管反应器由于其气固通 量大、气固接触效率高以及操作范 围宽等特点,在催化裂化工业中得到 了广泛的应用。然而,随着人们的研 究深入,其径向流动结构的严重非均 匀性和较大的气固返混也逐渐为人 们所认识。
u表示流体器内流速,L表示轴内距离
t t L dl V dV
0u 0 v
u u0
t t V
v0
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在整个过程中:
对于恒容反应过程平均停留时间,反 应时间和空时一致。 对于液相反应,均可视为恒容过程。
对气相反应,恒温,恒压等分子反 应上式也适用。
对于非等分子反应,需要按变容过程 来考虑。